现代仿生学在桥梁设计中的应用探讨

李文强

摘要：在现代的桥梁设计与建造中，仿生学的理念已经深入解决了很多建筑学中的难题，仿生学设计就是要将工程建筑与生物工程完美地融合在一起。在阐述了桥梁设计和建造中的仿生学理念后，分别从建筑材料、功能、形态、力学结构和生态角度对桥梁建筑设计建造中的仿生学应用进行了探讨。

关键词：仿生学 桥梁设计 现代设计 建筑设计

中图分类号：Q811文献标识码：A

现代仿生学已经不再是单纯模仿自然界生物建造技术和装置，而是吸收生物的自然建造机理，广泛应用于各种学科，包括医学、建筑学、遗传学、机电一体化等。仿生建筑学也逐渐地兴起并迅速地成长起来，不仅可以通过模仿生物组织形态和结构特点来不断创造、设计出新型的桥梁结构、形体，同时也可以借鉴生物特性来改善建造材料的功能、形式及结构，进而完善桥梁的功能，增强桥梁的寿命。可以说，在现代桥梁的设计和建造中，仿生学的研究和应用都显示了强大的生命力和创造力，对这个课题的研究也称为当前建筑学的热点。

1. 桥梁设计和建设中的仿生学理念

桥梁的设计和建造本身就是基于对大自然的感悟而得来的灵感，桥梁设计者在不知不觉中已经开始应用仿生学的设计理念。吊桥、梁桥、拱桥等桥梁形式都能在生物学中找到他们的灵感出处。在现代桥梁设计和建筑过程中，桥梁结构都包括细部与整体，宏观与微观两方面。

2.1仿生学的宏观设计与微观设计

根据仿生学微观与宏观的设计思路，设计师仿生思维在设计过程中也分成了微观桥梁设计以及宏观桥梁设计。无论是哪一种形式的仿生设计，目的都是为了现代桥梁的设计，因此，我们更需要一种统一的、综合仿生学设计，为建筑设计的形态、结构、功能等方面的创新和完善提供灵感。通过不断地模仿和研究自然界中生命体的特征和表现，能够帮助设计者们激发创作的思路，创造出更加新颖和完美的桥梁造型方案。

2.2仿生学设计优化自然结构

不论是从整体结构上讲，还是局部构造方面的选择和运用，在自然界中的经过优胜劣汰的优化结构能够为设计师和建筑师们提供相应更广阔的思路。在微观仿生设计过程中所设计的桥梁建筑一定要能够适应和自我调控，能够承担地震、狂风以及可能发生的自然环境的恶劣变化。无论是站在微观仿生或是宏观仿生角度上分析，设计师所设计的桥梁都是通过生命体向非生命体的重要转变。

2桥梁建筑设计建造中的仿生学应用

桥梁建筑是建筑系统的重要分支，随着人们对建筑功能和审美的需求越来越高，现代桥梁建筑的发展也需要不断注入新的灵感和创意，仿生学与建筑学的完美结合必然给桥梁的设计和建造带来无穷的活力。

2.1 仿生学在桥梁建筑材料的应用

建筑材料在桥梁的发展历史中都一直占据着重要的地位，利用仿生学的理念来开发新材料也成为建筑学上一直研究的重点。实践证明，自然界中的生物经过无数次进化，其很多功能和结构都可以给设计者们带来灵感，提供无限的参考价值。仿生建材是通过模仿生物机体结构组成体的化学成分，来实现与其功能相似的建筑材料。这些建筑材料往往具有特殊韧性、强度或是具备其它生物特性。现代的桥梁建筑中，仿生学材料可以说无处不在，并引导着建筑学材料的发展趋势。现代的桥梁建造中，钢筋混凝土已成为建筑施工中不可或缺的结构，扮演着重要的角色。钢筋混凝土的诞生就是仿生学在建筑材料应用的典范。法国设计师通过研究植物的根系，利用铁丝网仿造植物的根系组织，再把水泥、砂石浇筑在一起，形成了坚固的钢筋混凝土结构。日本科学家在木质材料的启发下，在一般混凝土中掺加约1%的长纤维状分子添加剂，开发出了新的建筑纤维材料，与木质材料的弹性韧性强，能抵抗相当的振动和冲击效果类似。与此类似的是，在混凝土中加入网状的纤维，增强了混凝土在水中的凝结能力，有助于桥梁的水下作业。

2.2 仿生学在桥梁结构力学的应用

桥梁结构力学方面的仿生，是研究自然界生物结构及其组成部分的运动机能，通过模仿生物形体或其运动学性质，来构建各式各样的桥梁结构形体。桥梁结构方面上的仿生实质也是力学方面上的仿生，其研究的方向主要是生物体的大体结构和精细结构具备的良好力学性能，进而设计出强度大、用料节省等桥梁结构。掏空梁的设计就是基于动物机体的研究，在充分利用材料的基础上，采用空心板和箱梁等结构形式来提高材料的利用率，结构件仿生也是桥梁结构设计中仿生的重要表现形式。

2.3 仿生学在桥梁建筑形态方面的应用

形态仿生是最直观和最容易理解的仿生学应用，通过对自然界中生命现象和生物特征的描绘和衍生，利用建筑美学的艺术表达来创设建筑形态，从而表现出具有生物形态象征的仿生学建筑构造。仿生学应用于桥梁建筑中不仅是基于生物系统的结构和动作原理的模仿，而是旨在总结生物形态的自然规律，进而在桥梁形态仿生设计中寻找科学原理和艺术美感。从自然界中的动态或静态现象来激发灵感，创造出富有新颖造型、特色外表的桥梁构造，是仿生学在桥梁设计中最普遍的应用，发展到今天，已经从单纯的模仿上升为艺术再创造的形态仿生应用。

2.4 仿生学在桥梁建筑功能上的应用

桥梁建筑的核心应用在其功能设计和完善，仿生学在建筑中最有升值价值的应用也在于此。然而，仿生学在桥梁功能的运用一直以来都是比较薄弱的环节，仍存在着巨大的潜力等待挖掘。自然界的生物通过机体来完成其生命特征，桥梁建筑的仿生设计理念也是基于生物体，但桥梁本身是无法具备生命体征的。因此，桥梁建筑的功能仿生是利用类推等方法来实现桥梁的耐久、节能等功能效果，并最终完成类生命建筑桥梁的设计和建造。建筑桥梁功能上的仿生要依靠生物学的规律，包括生物的新陈代谢及对自然界环境的适应特征等，从生命体的周期思维入手，建立起全寿命的桥梁建筑思想，从而设计出拥有类似生物体结构体系的桥梁建筑，并能够使桥梁具备可修性、可控性、可检性和可持续性等。

2.5桥梁建筑生态观与仿生学

桥梁的设计与建造同时要关注其生态学地位与功能，成功的桥梁设计应该对周围的环境保护与区域规划起到良性的保护、促进作用，反之将对环境起到严重的负面影响。桥梁仿生虽然无法实现与动植物生命体一样自身完成生物特征，但桥梁在生态中的地位是不容小视的。作为桥梁的设计者和建造者，应将资源节约和环境保护的生态理念深入到每一环节中，在桥梁建筑的用料上多采用地方性材料和可再生材料，减少运输成本和资源；对施工中剩余的可利用材料优先使用，避免拆建建筑；此外，桥梁建筑设计可以充分发挥自然能源的利用，比如将太阳能与风能运用到桥梁建筑的排水、通风和照明方面，能够更大程度上减少自然资源的损耗。

3 结语

仿生学的应用潜力在于自然界各种生物体和自然现象的不断变化和适应，每一特征都可能给予建筑设计者们灵感，从而带来新颖和特殊功能的桥梁建筑。当前研究仿生学并通过各种科学的类比、类推等设计手段，来设计建造出和谐生态环境并有效服务人类的优秀桥梁。自然界中的生物生长和其它自然现象的变化都会遵循一定的规律，其发生和发展都在不断地适应环境和更好地生存，未来仿生学的应用也会沿着这个方向发展。

参考文献：

[1] 张敏，薛圣言. 浅谈仿生设计在建筑中的运用[J].山西建筑. 2011(10)

[2] 叶青会，陶健，俞冬良，李忠学.仿生学原理在空间结构中的应用[J].结构工程师. 2010(03)

[3] 胡楠，戴公连.仿生理念在桥梁设计中的应用[J].世界桥梁. 2009(03)